Астрономы обнаружили первые доказательства существования третьего компактного объекта рядом с двойными чёрными дырами

Гравитационные волны, зарегистрированные коллаборацией LIGO-Virgo-KAGRA. Автор: SHAO

Двойные чёрные дыры во Вселенной сами по себе удивительны, но исследователи из Шанхайской астрономической обсерватории (SHAO) Китайской академии наук сделали революционное открытие: эти двойные чёрные дыры могут быть не «одинокими странниками» — за ними может скрываться ещё более загадочный «гигант».

Группа учёных под руководством доктора Хань Вэньбяо из SHAO обнаружила убедительные доказательства того, что недавнее слияние двойных чёрных дыр, известное как GW190814, вероятно, произошло в гравитационном поле третьего компактного объекта, возможно, сверхмассивной чёрной дыры.

Это открытие, опубликованное 21 июля в журнале The Astrophysical Journal Letters, даёт новые подсказки для разгадки тайны формирования двойных чёрных дыр.

С момента первого обнаружения гравитационных волн в 2015 году коллаборация LIGO-Virgo-KAGRA зарегистрировала более 100 событий, связанных с гравитационными волнами, большинство из которых произошли в результате слияния двойных чёрных дыр. Эти события предоставили важные данные для понимания физики таких слияний, но механизмы их формирования и эволюции остаются неясными.

Команда доктора Хань ранее предложила модель «b-EMRI», в которой сверхмассивная чёрная дыра захватывает двойную чёрную дыру, образуя иерархическую тройную систему. Двойные чёрные дыры «танцуют» вокруг сверхмассивной чёрной дыры, излучая гравитационные волны в различных частотных диапазонах. Эта модель была включена в технический отчёт проекта LISA и указана как уникальный источник для китайских космических проектов по обнаружению гравитационных волн. С тех пор команда искала доказательства слияний двойных чёрных дыр вблизи сверхмассивных чёрных дыр в данных LIGO-Virgo.

Оценки параметров GW190814, включая массы двух чёрных дыр (*m*~1~ и *m*~2~), светимость (*d*~L~), ускорение вдоль линии наблюдения (*a*) и степенной индекс (*n*~I~). Пунктирные линии показывают медианные значения и 90% доверительные интервалы. Контурные графики отображают 50% и 90% доверительные диапазоны. Автор: SHAO

В ходе анализа команда сосредоточилась на событии гравитационных волн GW190814. Соавтор исследования доктор Ян Шучэн объяснил, что компоненты этой двойной системы демонстрируют необычное соотношение масс — почти 10:1. Такое экстремальное соотношение позволяет предположить, что они могли быть частью тройной системы со сверхмассивной чёрной дырой, постепенно сближаясь под действием гравитационных взаимодействий. Альтернативный сценарий — их формирование в аккреционном диске активного галактического ядра, где гравитационное влияние окружающих компактных объектов подтолкнуло их к слиянию.

Исследователи заметили, что если двойная чёрная дыра сливается вблизи третьего компактного объекта, орбитальное движение вокруг него создаёт ускорение вдоль линии наблюдения. Это ускорение изменяет частоту гравитационных волн благодаря эффекту Доплера, оставляя характерный «отпечаток» в сигнале.

Для обнаружения этого эффекта учёные разработали шаблон гравитационной волны, учитывающий ускорение вдоль линии наблюдения, и применили байесовский анализ к нескольким событиям слияния двойных чёрных дыр с высоким отношением сигнал/шум. Результаты показали, что для GW190814 модель с учётом ускорения значительно лучше описывает данные, чем традиционная модель «изолированной двойной чёрной дыры».

Ускорение вдоль линии наблюдения оценивается примерно в 0,002 c s^-1 (90% доверительный уровень, где «c» — скорость света), с байесовским фактором (мерой достоверности модели) 58:1, что убедительно подтверждает наличие ускорения.

Слияние двойной чёрной дыры вблизи сверхмассивной чёрной дыры. Автор: SHAO

«Это первое в мире открытие явных доказательств существования третьего компактного объекта в событии слияния двойных чёрных дыр, — сказал доктор Хань. — Оно показывает, что двойные чёрные дыры в GW190814, возможно, сформировались не изолированно, а были частью более сложной гравитационной системы. Это даёт важные подсказки о путях формирования двойных чёрных дыр».

С вводом в эксплуатацию нового поколения наземных (например, Einstein Telescope, Cosmic Explorer) и космических (например, LISA, Taiji, TianQin) детекторов гравитационных волн учёные смогут улавливать даже более тонкие изменения в сигналах. Будущие наблюдения могут выявить больше событий, подобных GW190814, что поможет человечеству лучше понять формирование и эволюцию двойных чёрных дыр.

Дополнительная информация: Shu-Cheng Yang et al, Indication for a Compact Object Next to a LIGO–Virgo Binary Black Hole Merger, The Astrophysical Journal Letters (2025). DOI: 10.3847/2041-8213/adeaad

Источник: Chinese Academy of Sciences